CN114509262A - 一种掘进机主轴承的加速试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种掘进机主轴承的加速试验方法，包括：确定加速试验的条件为转速与载荷，并确定主轴承加速试验的转速；基于监测获取的原始载荷数据，确定主轴承的载荷极大值，将其初选为预设试验载荷；分析在预设试验载荷下各滚道内的最大接触应力σ_maxi，并与对应滚道内的许用接触应力σ_i进行对比；若σ_maxi＜σ_i，则将预设试验载荷作为实际试验载荷；若σ_maxi≥σ_i，则将预设试验载荷乘以调整系数后重新对比；根据加速试验载荷条件下的主轴承损伤与实际工况下的主轴承损伤相等的原则，确定主轴承的加速试验时间；在确定的加速试验时间和实际试验载荷下对主轴承进行加速试验，判断主轴承的可靠性。该方法在不改变失效机理的前提下加快主轴承试验进程，缩短试验时间。

Description

一种掘进机主轴承的加速试验方法

技术领域

本发明涉及掘进机主轴承技术领域，具体涉及一种掘进机主轴承的加速试验方法。

背景技术

掘进机是一种集机、电、光、液于一体的大型隧道施工装备，其开挖速度为常规钻爆法施工的3-10倍，并且施工过程对隧道围岩损伤较小，具有较高的安全性，被广泛应用于铁路隧道、公路隧道、水利水电、城市地铁等地下工程建设。主轴承是掘进机的关键部件，是掘进机的“心脏”，一旦失效将导致掘进机长期停机甚至报废，造成巨大的经济损失，同时主轴承服役过程中承受大推力、大偏载、大扭矩及冲击载荷作用，这对主轴承提出极高的可靠性要求。虽然近年来模拟仿真技术得到快速发展，但实现主轴承这种具有大尺寸、复杂结构并承受交变应力部件的寿命仿真难度巨大，同时获取的仿真结果难以保证精度要求，因此对主轴承开展试验以验证其是否满足可靠性要求成为不可或缺的重要手段。

然而，针对不同类型的掘进机，主轴承可靠性寿命要求超过10000/15000小时以上，考虑到主轴承室内试验的高成本，难以实现在正常工况下对其开展试验。因此，需在不改变失效机理的前提下加快主轴承试验进程，缩短试验时间，实现在较低成本的前提下对主轴承的可靠性进行验证。但是由于掘进机主轴承试验技术尚不完备，缺少明确可行的掘进机主轴承加速试验方法。

综上所述，急需一种掘进机主轴承的加速试验方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种掘进机主轴承的加速试验方法，旨在解决掘进机主轴承试验技术尚不完备，缺少明确可行的掘进机主轴承加速试验方法的问题，具体技术方案如下：

一种掘进机主轴承的加速试验方法，具体如下：

步骤S1：确定加速试验的条件为转速与载荷，并确定主轴承加速试验的转速；

步骤S2：基于监测获取的原始载荷数据，确定主轴承的载荷极大值，将其初选为预设试验载荷；

分析在预设试验载荷下各滚道内的最大接触应力σ_maxi，并与对应滚道内的许用接触应力σ_i进行对比；若σ_maxi＜σ_i，则将预设试验载荷作为实际试验载荷；若σ_maxi≥σ_i，则将预设试验载荷乘以调整系数后，重新对比直至输出实际试验载荷；

步骤S3：根据加速试验载荷条件下的主轴承损伤与实际工况下的主轴承损伤相等的原则，确定主轴承的加速试验时间；

步骤S4：在确定的加速试验时间和实际试验载荷下对主轴承进行加速试验，判断主轴承的可靠性。

以上技术方案中优选的，将主轴承加速试验的转速确定为实际工况下主轴承的最高转速。

以上技术方案中优选的，所述步骤S2中，原始载荷数据包括主轴承的轴向力、径向力和倾覆力矩。

以上技术方案中优选的，所述载荷极大值为实际工况中发生概率为10^-6的载荷，具体获取方法为：通过雨流计数法对原始载荷数据进行处理获取载荷幅值、载荷均值及两者的作用频次，利用威布尔分布模型拟合载荷幅值与其作用频次之间的关系，并获取载荷幅值分布模型，进而根据载荷幅值分布模型求解发生概率为10^-6的幅值极大值，然后将其叠加至载荷均值的加权平均值之上获取主轴承各载荷极大值。

以上技术方案中优选的，所述步骤S2中通过工程计算方法或模拟仿真方法分析在预设试验载荷下各滚道内的最大接触应力σ_maxi。

以上技术方案中优选的，所述工程计算方法具体如下：

将主轴承内圈和外圈作为刚体，建立预设试验载荷作用在主轴承上的合力P与主轴承结构参数之间的方程，如式1)所示：

P＝f(F_maxi,D_pwi,Z_i,ε_i) 式1)，

其中，i＝1、2、3，分别对应主推滚道、辅推滚道和径向滚道中的参数；F_maxi表示对应滚道内滚动体所受最大载荷，D_pwi表示对应滚道的分度圆直径；Z_i表示对应滚道内滚动体数量，ε_i表示对应滚道内载荷分布系数；

根据式1)分别计算主推滚道、辅推滚道和径向滚道内滚动体所受最大载荷F_maxi，根据式2)计算各滚道内的最大接触应力σ_maxi；

σ_maxi＝h(F_maxi,D_wi,L_i) 式2)，

其中，σ_maxi表示对应滚道内最大接触应力，D_wi表示对应滚道内滚动体直径，L_i表示对应滚道内滚动体的有效长度。

以上技术方案中优选的，模拟仿真方法具体如下：先建立主轴承三维模型，并对三维模型进行简化处理，模拟输入参数为主轴承材料性能、结构参数和预设试验载荷，然后对主轴承进行柔性体仿真计算，获取主轴承各滚道内的最大接触应力σ_maxi。

以上技术方案中优选的，所述步骤S3中，实际工况下的主轴承损伤由式3)进行计算：

其中，n表示实际工况中的典型工况个数，j取值为1-n之间的自然数，j取不同值代表不同典型工况；L_j表示对应典型工况下主轴承理论寿命，单位为转数，N_j表示对应典型工况下主轴承实际运转转数；

为保证加速试验载荷条件下主轴承产生损伤与主轴承在实际工况载荷和使用寿命要求下产生的损伤相等，根据式4)获取加速试验中主轴承运行转数N_e：

其中，L_e为加速试验载荷条件下主轴承理论寿命，N_e为加速试验载荷条件下主轴承运行转数；

根据主轴承运行转数N_e和加速试验的转速得到加速试验时间。

以上技术方案中优选的，n＝3，j取值为1、2、3分别表示实际工况中的启动工况、疲劳工况和脱困工况。

以上技术方案中优选的，所述调整系数取值范围为0.9-0.99。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

本发明的试验方法，对预设试验载荷进行合理性验证，如其不满足要求则通过调整系数进行调整，最终确定合理的实际试验载荷，保证主轴承失效机理不变的条件下加速试验进程，减少试验成本。通过保证加速试验载荷条件下主轴承产生的损伤与主轴承实际载荷条件下产生的损伤相同，形成获取加速试验时间边界的方法，通过此法可完成主轴承加速试验时间的确定，通过对进行相应时长加速试验的主轴承进行失效评判，即可判定其是否满足主轴承可靠性要求。

本发明的试验方法在不改变失效机理的前提下加快主轴承试验进程，缩短试验时间，实现在可接受的试验成本下对主轴承的可靠性进行验证。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是实施例中三排圆柱滚子转盘轴承的结构示意图；

图2是本发明掘进机主轴承的加速试验的流程图；

其中，1、内圈，2、第二外圈，3、辅推滚子，4、径向滚子，5、第一外圈，6、保持架，7、主推滚子。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1：

本实施例中所用主轴承为典型三排圆柱滚子转盘轴承，其主体由第一外圈5、第二外圈2、内圈1、主推滚子7、辅推滚子3、径向滚子4及保持架6组成，两外圈通过螺栓连接。工作过程中外圈固定，内圈转动，其结构简图如图1所示(主轴承的具体结构请参见现有技术)。

参见图2，本实施例针对图1中的主轴承提供了一种加速试验方法，具体如下：

步骤S1：根据掘进机主轴承施工工况及工作特点，确定加速试验的条件为转速与载荷，并确定主轴承加速试验的转速；

本实施例中优选的，将主轴承加速试验的转速确定为实际工况下主轴承的最高转速，本实施例中具体为5转/分钟，尽可能缩短试验花费的时间。

步骤S2：基于监测获取的原始载荷数据(由实际工况获取)，确定主轴承的载荷极大值，将其初选为预设试验载荷；

具体地，所述原始载荷数据包括主轴承的轴向力、径向力和倾覆力矩。

本实施例中进一步优选的，所述载荷极大值为实际工况中发生概率为10^-6的载荷，具体获取方法为：通过雨流计数法对原始载荷数据进行处理获取载荷幅值、载荷均值及两者的作用频次(即获取载荷幅值与载荷幅值对应的作用频次以及载荷均值与载荷均值对应的作用频次)，利用威布尔分布模型拟合载荷幅值与其作用频次之间的关系，并获取载荷幅值分布模型，进而根据载荷幅值分布模型求解发生概率为10^-6的幅值极大值，然后将其叠加至载荷均值的加权平均值之上获取主轴承各载荷极大值(概率为10^-6的要求为根据实际经验设定的)。

具体地的，本实施例中发生概率为10^-6的轴向力、径向力、倾覆力矩分别为16000kN、3000kN、11800kN·m。

接下来，分析在预设试验载荷下各滚道内的最大接触应力σ_maxi(角标i用于分区不同滚道)，并与对应滚道内的许用接触应力σ_i进行对比；若σ_maxi＜σ_i，则将预设试验载荷作为实际试验载荷(需要各滚道内的最大接触应力均小于对应滚道内的许用接触应力，则预设试验载荷作为实际试验载荷)；若σ_maxi≥σ_i，则将预设试验载荷乘以调整系数后，重新对比直至输出实际试验载荷(即重新对比乘以调整系数后的预设试验载荷下的最大接触应力与许用接触应力之间的关系)；其中，许用接触应力σ_i可以根据相关的行业规范获得；

优选的，所述调整系数取值范围为0.9-0.99，调整系数为根据经验获取。

本实施例中通过工程计算方法或模拟仿真方法分析在预设试验载荷下各滚道内的最大接触应力σ_maxi。

具体地，所述工程计算方法具体如下：

将主轴承内圈和外圈作为刚体，建立预设试验载荷作用在主轴承上的合力P与主轴承结构参数之间的方程，如式1)所示：

P＝f(F_maxi,D_pwi,Z_i,ε_i) 式1)，

其中，i＝1、2、3，分别对应主推滚道、辅推滚道和径向滚道中的参数；F_maxi表示对应滚道(即第i个滚道)内滚动体所受最大载荷，D_pwi表示对应滚道的分度圆直径；Z_i表示对应滚道内滚动体数量，ε_i表示对应滚道内载荷分布系数；

根据式1)分别计算主推滚道、辅推滚道和径向滚道内滚动体所受最大载荷F_maxi，根据式2)计算各滚道内的最大接触应力σ_maxi；

σ_maxi＝h(F_maxi,D_wi,L_i) 式2)，

其中，σ_maxi表示对应滚道内最大接触应力，D_wi表示对应滚道内滚动体直径，L_i表示对应滚道内滚动体的有效长度。

具体地，模拟仿真方法具体如下：先建立主轴承三维模型，并对三维模型进行简化处理，模拟输入参数为主轴承材料性能、结构参数和预设试验载荷，然后对主轴承进行柔性体仿真计算，获取主轴承各滚道内的最大接触应力σ_maxi。本实施例中采用Creo建立主轴承三维模型，模拟仿真方法通过Romax软件实现。

本实施例采用两种方法分析最大接触应力(实际中可以只采用一种)，通过两种方法分别获取的预设试验载荷下主轴承所受最大接触应力分别如表1和表2所示。根据结果可知，在此预设试验载荷下，主轴承所受应力小于许用接触应力，所以满足要求，将其作为实际试验载荷。如果计算结果不符合要求，则需将预设试验载荷乘调整系数进行调整，根据应用经验，调整系数推荐取0.95。

表1工程计算方法计算结果

滚道类型	主轴承最大接触应力/MPa	许用接触应力/MPa	安全系数
				主推滚道	1534.49	3300	2.15<sup>2</sup>
辅推滚道	1008.31	3300	3.27<sup>2</sup>
				径向滚道	1501.33	3300	2.20<sup>2</sup>

表2 Romax仿真分析结果

滚道类型	主轴承最大接触应力/MPa	许用接触应力/MPa	安全系数
				主推滚道	2028.06	3300	1.63<sup>2</sup>
辅推滚道	1300.88	3300	2.54<sup>2</sup>
				径向滚道	2051.12	3300	1.61<sup>2</sup>

步骤S3：根据加速试验载荷条件下的主轴承损伤与实际工况下的主轴承损伤相等的原则，确定主轴承的加速试验时间；

具体地，实际工况下的主轴承损伤由式3)进行计算：

其中，n表示实际工况中的典型工况个数，j取值为1-n之间的自然数，j取不同值代表不同典型工况；L_j表示对应典型工况下主轴承理论寿命，单位为转数，N_j表示对应典型工况下主轴承实际运转转数；

为保证加速试验载荷条件下主轴承产生损伤与主轴承在实际工况载荷和使用寿命要求下产生的损伤相等，根据式4)获取加速试验中主轴承运行转数N_e：

其中，L_e为加速试验载荷条件下主轴承理论寿命，N_e为加速试验载荷条件下主轴承运行转数；

最后，根据主轴承运行转数N_e和加速试验的转速得到加速试验时间。

本实施例中具体地n＝3，j取值为1、2、3分别表示实际工况中的启动工况、疲劳工况和脱困工况，一般主轴承要求使用寿命≥10000小时，本实施例中以10000小时为使用寿命进行计算，根据式4)可得：

最终确定本实施例中加速试验时间为887小时。

步骤S4：在确定的加速试验时间和实际试验载荷下对主轴承进行加速试验，判断主轴承的可靠性。

所述步骤S4中，在试验过程中对主轴承转速、载荷、温度、振动、润滑油污染情况进行监测；试验过程中如果主轴承发生卡滞现象，停止试验，判定主轴承不满足要求，否则待试验运行结束后拆解主轴承，观察主轴承滚道、滚子及保持架是否发生肉眼可见的剥落，依此判断主轴承是否满足可靠性要求。

综上，本实施例中将主轴承安装至试验台，使主轴承在转速5转/分钟，轴向力、径向力、倾覆力矩分别为16000kN、3000kN、11800kN·m条件下运行887小时。试验过程中对主轴承转速、载荷、温度、振动、润滑油污染情况进行监测，试验过程中主轴承并未发生卡滞现象，试验结束后拆解主轴承，观察主轴承滚道剥落情况，通过观察并未发现主轴承套圈、滚子及保持架发生肉眼可见的剥落，因此判定此主轴承满足可靠性要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种掘进机主轴承的加速试验方法，其特征在于，具体如下：

步骤S1：确定加速试验的条件为转速与载荷，并确定主轴承加速试验的转速；

步骤S2：基于监测获取的原始载荷数据，确定主轴承的载荷极大值，将其初选为预设试验载荷；

分析在预设试验载荷下各滚道内的最大接触应力σ_maxi，并与对应滚道内的许用接触应力σ_i进行对比；若σ_maxi＜σ_i，则将预设试验载荷作为实际试验载荷；若σ_maxi≥σ_i，则将预设试验载荷乘以调整系数后，重新对比直至输出实际试验载荷；

步骤S3：根据加速试验载荷条件下的主轴承损伤与实际工况下的主轴承损伤相等的原则，确定主轴承的加速试验时间；

步骤S4：在确定的加速试验时间和实际试验载荷下对主轴承进行加速试验，判断主轴承的可靠性。

2.根据权利要求1所述的掘进机主轴承的加速试验方法，其特征在于，将主轴承加速试验的转速确定为实际工况下主轴承的最高转速。

3.根据权利要求1所述的掘进机主轴承的加速试验方法，其特征在于，所述步骤S2中，原始载荷数据包括主轴承的轴向力、径向力和倾覆力矩。

4.根据权利要求3所述的掘进机主轴承的加速试验方法，其特征在于，所述载荷极大值为实际工况中发生概率为10^-6的载荷，具体获取方法为：通过雨流计数法对原始载荷数据进行处理获取载荷幅值、载荷均值及两者的作用频次，利用威布尔分布模型拟合载荷幅值与其作用频次之间的关系，并获取载荷幅值分布模型，进而根据载荷幅值分布模型求解发生概率为10^-6的幅值极大值，然后将其叠加至载荷均值的加权平均值之上获取主轴承各载荷极大值。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的掘进机主轴承的加速试验方法，其特征在于，所述步骤S2中通过工程计算方法或模拟仿真方法分析在预设试验载荷下各滚道内的最大接触应力σ_maxi。

6.根据权利要求5所述的掘进机主轴承的加速试验方法，其特征在于，所述工程计算方法具体如下：

将主轴承内圈和外圈作为刚体，建立预设试验载荷作用在主轴承上的合力P与主轴承结构参数之间的方程，如式1)所示：

P＝f(F_maxi,D_pwi,Z_i,ε_i) 式1)，

其中，i＝1、2、3，分别对应主推滚道、辅推滚道和径向滚道中的参数；F_maxi表示对应滚道内滚动体所受最大载荷，D_pwi表示对应滚道的分度圆直径；Z_i表示对应滚道内滚动体数量，ε_i表示对应滚道内载荷分布系数；

根据式1)分别计算主推滚道、辅推滚道和径向滚道内滚动体所受最大载荷F_maxi，根据式2)计算各滚道内的最大接触应力σ_maxi；

σ_maxi＝h(F_maxi,D_wi,L_i) 式2)，

其中，σ_maxi表示对应滚道内最大接触应力，D_wi表示对应滚道内滚动体直径，L_i表示对应滚道内滚动体的有效长度。

7.根据权利要求5所述的掘进机主轴承的加速试验方法，其特征在于，模拟仿真方法具体如下：先建立主轴承三维模型，并对三维模型进行简化处理，模拟输入参数为主轴承材料性能、结构参数和预设试验载荷，然后对主轴承进行柔性体仿真计算，获取主轴承各滚道内的最大接触应力σ_maxi。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的掘进机主轴承的加速试验方法，其特征在于，所述步骤S3中，实际工况下的主轴承损伤由式3)进行计算：

其中，n表示实际工况中的典型工况个数，j取值为1-n之间的自然数，j取不同值代表不同典型工况；L_j表示对应典型工况下主轴承理论寿命，单位为转数，N_j表示对应典型工况下主轴承实际运转转数；

为保证加速试验载荷条件下主轴承产生损伤与主轴承在实际工况载荷和使用寿命要求下产生的损伤相等，根据式4)获取加速试验中主轴承运行转数N_e：

其中，L_e为加速试验载荷条件下主轴承理论寿命，N_e为加速试验载荷条件下主轴承运行转数；

根据主轴承运行转数N_e和加速试验的转速得到加速试验时间。

9.根据权利要求8所述的掘进机主轴承的加速试验方法，其特征在于，n＝3，j取值为1、2、3分别表示实际工况中的启动工况、疲劳工况和脱困工况。

10.根据权利要求1所述的掘进机主轴承的加速试验方法，其特征在于，所述调整系数取值范围为0.9-0.99。

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